Maak er brandstoffen van, met behulp van groene stroom
Als we de wereld duurzamer willen maken, moeten we een oplossing vinden voor CO2. Prof.dr.ir. Wiebren de Jong (TU Delft) van de afdeling Process & Energy (sectie Large-Scale Energy storage, LSE) werkt daar hard aan.
Hij wil het broeikasgas vastleggen in brandstoffen en andere chemische bulkproducten. In april gaat een project van start om er mierenzuur van te maken. Op de lange duur ziet De Jong mogelijkheden voor transportbrandstoffen en opslag van duurzame elektriciteit.
Het is hét probleem van onze tijd: kooldioxide (CO2). Het komt vrij als we benzine, diesel, gas of kolen verbranden, en het hoopt zich op in onze atmosfeer. Daar functioneert het als een warme deken die de aardse temperatuur doet stijgen en het klimaat ontregelt. "Als we het klimaatprobleem willen aanpakken, dan moeten we slimmer omgaan met CO2", zegt De Jong. "De sleutel voor een duurzame toekomst ligt in het sluiten van de CO2 kringloop. Bijvoorbeeld door er weer brandstoffen van te maken, of grondstoffen voor de industrie."
Dat klinkt logisch, maar het vergt een flinke dosis technologieontwikkeling. Het probleem is dat het op zich ongevaarlijke, kleurloze gas in de chemische praktijk een soort eindstation is. Het CO2 molecuul is heel stabiel en wie er iets nuttigs mee wil doen, moet er veel energie instoppen. Figuurlijk gezien, maar ook letterlijk. Chemici zijn wat dat betreft flink jaloers op de natuur. Planten gebruiken zonlicht om van CO2 en water suikers te maken, en van daaruit weer andere stoffen. Het kán dus, CO2 benutten, alleen laat zulke biologische fotosynthese zich chemisch niet gemakkelijk nabootsen. Wiebren de Jong gooit het daarom over een andere boeg: "Er komt steeds meer duurzame energie beschikbaar in de vorm van elektriciteit, afkomstig van zonnepanelen en windmolens. Met die groene stroom gaan wij straks de chemische processen aandrijven die CO2 verwerken. Zo kunnen we van CO2 weer brandstoffen maken."
Prof.dr.ir. Wiebren de Jong werd op 1 december 2016 benoemd tot hoogleraar 'Large-scale Energy Storage' bij de afdeling Process & Energy van de faculteit ME. Enkele maanden eerder werd hij ook al deeltijdhoogleraar ‘Integrated Thermochemical Biorefineries’ aan de Rijksuniversiteit van Groningen. Wiebren de Jong is expert op het gebied van thermische & chemische conversie en bioraffinage. De Jong is aan de TU Delft verbonden sinds de start van zijn promotieonderzoek in 1996.
Elektriciteit opslaan
Als dat lukt slaat De Jong twee vliegen in één klap. In de eerste plaats wordt het mogelijk om het transport met vrachtwagens, schepen en vliegtuigen een stuk duurzamer te maken. "Elektrische aandrijving is daarvoor te zwaar, en de actieradius is te klein", zegt De Jong. "Met 'CO2-brandstoffen' in de tank kan de transportsector relatief gemakkelijk een gesloten CO2 kringloop realiseren, zonder grote investeringen of veranderingen".
De tweede, minstens zo belangrijke toepassing vloeit voort uit het feit dat de processen waar De Jong aan werkt in feite elektriciteit opslaan in de CO¬¬2-brandstoffen. Daarmee is vraag en aanbod van groene stroom in balans te brengen. De productie van groene stroom valt immers zelden samen met de behoefte. Een zonnecel levert stroom als de zon schijnt, maar je doet pas een lamp aan als het donker is geworden. En als je met een windmolen elektriciteit maakt, is het fijn als je die ook in windstille periodes kunt gebruiken. Daar komt nog bij dat in het elektriciteitsnet productie en afname altijd met elkaar in balans moeten zijn. Het heeft weinig zin een land vol zonnecellen te zetten, als er op zonnige dagen voor al die stroom geen afnemers zijn.
" Voor een stabiele duurzame elektriciteitsvoorziening is het cruciaal dat je groene stroom kunt opslaan ", zegt De Jong. "Dat kan natuurlijk deels met batterijen. Maar chemische opslag in CO2-brandstoffen maakt het mogelijk echt op grote schaal elektrische energie op te slaan". Een centrale op CO2-brandstoffen kan vervolgens aanvullende stroom leveren op momenten dat zonnecellen en windmolens niet genoeg produceren. De Jong: "Zo buffer je vraag en aanbod en verminder je de afhankelijkheid van conventionele energiebronnen als kolen en kernenergie". Bovendien, zo voegt hij toe, de CO2-brandstoffen kunnen ook een rol vervullen in het 'koppelen van de seizoenen'. Zo wordt het mogelijk om duurzame energie van de zomer (zon) en herfst (wind) te 'bewaren' tot de winter, als er huizen verwarmd moeten worden.
Als CO2 eenmaal in de atmosfeer is terechtgekomen, dan is het chemisch gezien niet erg gemakkelijk meer te gebruiken. De Jong: "De concentratie is 400 ppm, een paar honderdste van een procent. Voor het klimaat is dat te hoog, maar procestechnologisch is het niet optimaal". Hij ziet eerder mogelijkheden om CO2 te benutten dat in hoge concentraties vrijkomt, bijvoorbeeld in de schoorstenen van energiecentrales, afvalverbranders en staalfabrieken. Een andere mogelijkheid is om bomen en planten te laten groeien (die nemen immers CO2 op) en die biomassa vervolgens te gebruiken.. Daar besteedt Wiebren de Jong ook veel aandacht aan, met name waar het de benutting van bio-restproducten betreft.
Van lab naar fabriek
Het onderzoek van De Jong kenmerkt zich door de ambitie om "iets te maken dat werkt", zoals hij het zelf uitdrukt. Zijn kamer grenst aan de proceshal met de 'skids': de technologie-opstellingen om nieuwe processen te ontwikkelen en onderzoeken.
"Hier maken we de stap van idee naar werkelijkheid", zegt De Jong. "Wat in een lab bedacht is en op hele kleine schaal in een zuurkast is uitgevoerd, dat werken wij hier uit op zo'n manier dat de industrie er op grote schaal echt iets mee kan doen. Dat betekent bijvoorbeeld dat we optimaal gebruik maken van de warmte-effecten van de chemische omzetting. Zo komen we tot een geïntegreerd proces dat in principe klaar is voor grootschalige toepassing." De industrie, of researchinstituten als TNO en ECN, waar De Jong veel mee samenwerkt, kunnen dan de volgende stap maken met de ontwikkeling van proeffabrieken.
Op het gebied van CO2-omzetting is het zover nog niet. Je kunt CO2 met behulp van elektriciteit omzetten in CO, legt hij uit. Dat koolmonoxide is veel minder stabiel en kan daarom als startpunt dienen voor de synthese van brandstoffen en chemische grondstoffen. Zoals zo vaak is het allemaal makkelijker gezegd dan gedaan. Er zijn efficiënte elektrodes nodig om de elektrische energie in de reactor te brengen, het CO2 moet in oplossing gebracht worden, er zijn goede katalysatoren nodig en het is nog een uitdaging om het complexe samenspel van chemische reacties zo te sturen dat vooral het gewenste product ontstaat. "Genoeg werk aan de winkel", zo vat De Jong het samen.
Het net twee jaar oude Process & Energy Lab van de faculteit ME is de centrale plek voor al het grootschalige onderzoek van de TU Delft op het gebied van proces- en energietechnologie. Het is het enige in zijn soort in Nederland. Het Delftse onderzoek in dit domein vindt plaats binnen zes secties: intensified reaction and separation technology; energy technology; large-scale energy storage; fluid dynamics; multi-phase systems; en engineering thermodynamics.
Mierenzuur
Een interessant voorbeeld van CO2-benutting is de conversie tot mierenzuur. Dat is een 'brandstof' voor batterijloze elektrische auto's, maar ook een duurzame grondstof voor de chemische industrie. Die wil graag 'vergroenen' en is daarom bereid te investeren. De Jong: "De kennis die we daarmee ontwikkelen is uiteraard ook relevant voor de echt grootschalige processen op de lange termijn, zoals de productie van transportbrandstoffen en 'duurzaam aardgas".
In april 2017 gaat een bijzonder project van start, waarin De Jong de route van CO2 naar mierenzuur verder uitwerkt samen met TNO (projectcoördinator), startup bedrijf COVAL Energy, Mestverwerking Friesland, en CE Delft. Ook het Eindhovense studententeam FAST, dat een auto op mierenzuur ontwikkeld, is er bij betrokken. Het onderzoek leverde tot nu toe een eerste prototype op ter grootte van een stoeptegel. "Het is nu zaak het proces in de richting van industriële relevantie te brengen. Dat betekent onder andere grotere elektroden en bijvoorbeeld hogere drukken. Samen met TNO en in nauwe aansluiting op het Voltachem platform voor elektrochemische conversie gaan we uitzoeken wat dat betekent voor de procesvoering."
Aan de slag
De Jong verwacht veel van onderzoek naar het sluiten van de CO2 kringloop, dat wereldwijd steeds meer aandacht krijgt. Het frustreert hem wel dat er economisch gezien nauwelijks drijvende krachten zijn voor een omschakeling naar duurzame technologie. Fossiele grondstoffen zijn nog erg goedkoop, en CO2 emissierechten zijn veel te laag geprijsd. Hij voelt zelf de urgentie wel degelijk. "Het is onze taak als technologen om oplossingen paraat te hebben als de maatschappij er om vraagt. Het kost tijd om die technologie te ontwikkelen, dus werken we er hard aan."
Ondertussen moeten we de maatschappij wat De Jong betreft zelf al flink aan de slag: "Er valt op korte termijn al heel veel te doen", zegt de hoogleraar. "We moeten absoluut energie besparen en het aandeel van duurzame, hernieuwbare grondstoffen vergroten. En het is van belang dat we het CO2 opvangen dat nu vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, en het opslaan". Want, zo legt hij uit, ook met effectieve nieuwe technologie kunnen we het klimaatprobleem zeker niet van de ene op de andere dag oplossen. "Het is net als het sturen van een enorm groot schip; daar zit een forse traagheid in, zo'n schip ligt niet meteen op koers. Daarom moeten we alle zeilen bijzetten en nu al alle maatregelen nemen die mogelijk zijn."